JP2012141299A - In-plane capacitance type mems accelerometer - Google Patents
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Abstract
Description
発明の背景
発明の属する技術分野
本発明は加速度計及びその他の力検出装置に関し、より具体的には基板上の複数の電極の上方に位置する一体成形の材料から形成されたプルーフマスを含む超頑強な、面内MEMS容量型加速度計に関する。基板が加速すると、プルーフマスは基板の上面に平行な方向に移動し、プルーフマスと基板との間の容量を変える。この容量の変化を変位の測定及び基板が付けられている物体の加速度の特定に使用することが可能である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to accelerometers and other force sensing devices, and more particularly to a super proof mass formed from a single piece of material positioned over a plurality of electrodes on a substrate. It relates to a robust in-plane MEMS capacitive accelerometer. As the substrate accelerates, the proof mass moves in a direction parallel to the top surface of the substrate, changing the capacitance between the proof mass and the substrate. This change in capacitance can be used to measure displacement and identify the acceleration of the object to which the substrate is attached.
関連技術の説明
加速度計は全ての種類の車用のナビゲーション及び誘導システムに一般に用いられる慣性計測装置(IMU)内の重要な要素である。一般的なIMUはリニア加速度計、ジャイロ回転速度センサー、及び関連電子機器を各々含む3つの均等なモジュールからなる。こうした3軸IMUは航空機や宇宙船から精密誘導ミサイルや大砲弾にわたる範囲の航空宇宙応用内のナビゲーション、誘導及びデータ測定システムに用いられる。こうした用途の多くで、IMUは極度の振動及び衝撃負荷にさらされる。このため、こうした過酷な条件に耐えるように設計されなければならない。
Description of Related Art Accelerometers are an important element in inertial measurement units (IMUs) commonly used in navigation and guidance systems for all types of vehicles. A typical IMU consists of three equal modules each including a linear accelerometer, a gyro rotational speed sensor, and associated electronics. These three-axis IMUs are used in navigation, guidance and data measurement systems in aerospace applications ranging from aircraft and spacecraft to precision guided missiles and cannonballs. In many of these applications, the IMU is exposed to extreme vibration and shock loads. For this reason, it must be designed to withstand these harsh conditions.
過酷な衝撃負荷に耐えることができる慣性計測装置は超頑強IMUとして知られる。こうした高性能IMUは重力の数千倍の力にさらされたときでさえ完全に機能的であり続ける。高性能加速度計及びその他の部品の使用はIMUが搭載された車や自動推進体の信頼できる、一貫した、精密な誘導を可能にする。 An inertial measurement device that can withstand severe impact loads is known as a super robust IMU. Such high performance IMUs remain fully functional even when exposed to forces several thousand times that of gravity. The use of high performance accelerometers and other components allows for reliable, consistent and precise guidance of vehicles and auto-propellants that are equipped with IMUs.
微小重力解像度、高感度、高直線性及び低バイアスドリフト付き高性能加速度計は超頑強IMUの使用に必須である。伝統的に、IMUは大型機械式加速度計及び従来の回転型ジャイロを含んでいた。しかし、最新のIMU、特に超頑強で高性能のIMUは微小電気機械(MEMS)製造技術を用いて製造される。 A high performance accelerometer with microgravity resolution, high sensitivity, high linearity and low bias drift is essential for the use of ultra-stubborn IMUs. Traditionally, IMUs included large mechanical accelerometers and conventional rotary gyros. However, the latest IMUs, particularly ultra-rugged and high performance IMUs, are manufactured using micro-electromechanical (MEMS) manufacturing techniques.
MEMS製造技術は微小重力解像度を達成しながら大質量、大容量及び小減衰が同時に加速度計で得られるのを確実にするのに重要な役割を果たす。シリコン容量型加速度計は超頑強IMUのために非常に魅力的になるいくつかの利点を有する。シリコン容量型加速度計は高感度、かつ、良好な直流応答及びノイズ特性、低ドリフト、低温感度、低電力消費及び簡単な構造を有する。MEMS製造技術を用いて単一チップ上に超頑強な、高性能の3軸加速度計を構築することは有利である。しかし、このためには、同じ製造技術を用いたチップ上の面外及び面内両方の加速度計の組み立てが必要である。 MEMS manufacturing technology plays an important role in ensuring that large masses, large volumes and small damping are simultaneously obtained with accelerometers while achieving microgravity resolution. Silicon capacitive accelerometers have several advantages that make them very attractive for super robust IMUs. The silicon capacitive accelerometer has high sensitivity and good DC response and noise characteristics, low drift, low temperature sensitivity, low power consumption and simple structure. It is advantageous to build a super robust, high performance 3-axis accelerometer on a single chip using MEMS manufacturing techniques. However, this requires assembly of both out-of-plane and in-plane accelerometers on the chip using the same manufacturing techniques.
既知の面内加速度計の構成は、側壁間で感知間隔が形成され感知が感知間隔の大きさによって決定されるMEMS櫛指加速度計を含む。従来のMEMS櫛指加速度計が図7に示され、全体で番号700で記される。加速度計700は2つのアンカー704にバネで付けられ複数の可動指706を有するプルーフマス又は感知プレート702を含む。可動指706は可動及び固定指の間に側部の隙間が形成された状態で複数の固定指708と交互に配置される。側部の隙間の最小サイズは面内加速度計700を製造するのに用いられる乾式反応性イオンエッチング(DRIE)技術のアスペクト比に基づきプレート厚さの約1/10から1/15の間に制限される。これは75μm(ミクロン)厚のプレートの最小の側部の隙間が5.0から7.5μmの間であることを意味する。既存のDRIE技術で可能な最小の大きさは10μmの隙間の生成である。75μmの厚さのプレートに、この技術を用いてMEMS櫛指、面内加速度計を製造することは不可能である。
Known in-plane accelerometer configurations include MEMS comb finger accelerometers where a sensing interval is formed between the sidewalls and sensing is determined by the magnitude of the sensing interval. A conventional MEMS comb accelerometer is shown in FIG. The
マイクロマシニングとバルクマイクロマシニングとを組み合わせた他の製造技術を、側部の隙間を1.1μmに減らすのに用いることが可能である。ポリシリコン蒸着技術が一例である。しかしながら、こうした技術の処理フローは非常に複雑で、低収率となる。さらに、結果として生じる構造は脆弱で、高い衝撃の用途に向かない構造になる。こうした既存の技術は超頑強なMEMS加速度計の製造に用いることができない。 Other manufacturing techniques combining micromachining and bulk micromachining can be used to reduce the side gap to 1.1 μm. Polysilicon deposition technology is an example. However, the processing flow of these techniques is very complex and results in low yields. Furthermore, the resulting structure is fragile, making it unsuitable for high impact applications. These existing technologies cannot be used to make super robust MEMS accelerometers.
加えて、従来の櫛指加速度計の構成には非線形性問題が内在している。線形性を向上するために、側部の隙間の変化は小さい差動容量出力をもたらす小さい範囲に制限されなければならない。 In addition, non-linearity problems are inherent in the configuration of conventional comb finger accelerometers. In order to improve linearity, the change in the side gap must be limited to a small range resulting in a small differential capacitance output.
これらの制限を考えると、同じMEMS製造技術を用いた単一チップ上に作られた面内加速度計と面外加速度計の両方を含む超頑強、かつ、高性能な、3軸加速度計が切実に求められている。本発明はこのニーズを扱う。 Given these limitations, super robust and high performance 3-axis accelerometers, including both in-plane and out-of-plane accelerometers made on a single chip using the same MEMS manufacturing technology, are desperate. It is sought after. The present invention addresses this need.
本発明は物体の面内加速度を特定するためのシステムおよび方法に関する。同システムおよび方法は当業者には以下の数個の図面と併せて後述の同発明の詳細な説明からより簡単に明らかになるであろう。 The present invention relates to a system and method for identifying in-plane acceleration of an object. The system and method will be more readily apparent to those skilled in the art from the following detailed description of the invention in conjunction with the following several figures.
物体の面内加速度を特定するためのシステムが開示され、物体に強固に取り付けられた基板付きの面内加速度計及び一体成形の材料からなる、基板の上方に可動可能に所定の距離を離間されるプルーフマスを含む。複数の第1の基板電極が基板から上に延び、同じく基板から上に延びる複数の第2の基板電極と交互になっている。各基板電極は平面的な上面を有する。複数の第1の基板電極は互いに電気的に接続され、複数の第2の基板電極も互いに電気的に接続される。プルーフマスはプルーフマスと基板との間に異なる高さの隙間を形成するためにプルーフマスから下に延びる複数の電極突部を含む。第1のコンデンサはプルーフマスと複数の第1の基板電極との間に形成され、第2のコンデンサはプルーフマスと複数の第2の基板電極との間に形成される。プルーフマスはプルーフマスが均衡位置にあるとき、複数の電極突部の各々が1つの第1の基板電極の一部及び隣接する第2の基板電極の一部の上方に配置される状態で、物体の速度が一定のとき、均衡位置に保持される構成である。プルーフマスは物体が加速しているときに複数の基板電極の各々の上面に平行な方向に動く構成である。これにより各基板電極の上面とプルーフマスとの間の隙間の領域の変化が起きる。 A system for determining in-plane acceleration of an object is disclosed, and is composed of an in-plane accelerometer with a substrate firmly attached to the object and a monolithic material movably spaced a predetermined distance above the substrate. Including a proof mass. A plurality of first substrate electrodes extend upward from the substrate and alternate with a plurality of second substrate electrodes that also extend upward from the substrate. Each substrate electrode has a planar upper surface. The plurality of first substrate electrodes are electrically connected to each other, and the plurality of second substrate electrodes are also electrically connected to each other. The proof mass includes a plurality of electrode protrusions extending downward from the proof mass to form gaps of different heights between the proof mass and the substrate. The first capacitor is formed between the proof mass and the plurality of first substrate electrodes, and the second capacitor is formed between the proof mass and the plurality of second substrate electrodes. When the proof mass is in an equilibrium position, each of the plurality of electrode protrusions is disposed above a part of one first substrate electrode and a part of an adjacent second substrate electrode, When the speed of the object is constant, the object is held in an equilibrium position. The proof mass is configured to move in a direction parallel to the upper surface of each of the plurality of substrate electrodes when the object is accelerating. This causes a change in the area of the gap between the upper surface of each substrate electrode and the proof mass.
物体の面内加速度を測定する方法もまた開示されている。この方法は:基板の物体への堅牢な取り付け;プルーフマスと基板との間の異なる高さの隙間を形成するための基板の上方に所定の距離の均衡位置へのプルーフマスの固定;第1の基板電極と第2の基板電極が基板上に交互に配置される、プルーフマスと複数の第1の基板電極との間への第1の差動コンデンサの形成とプルーフマスと複数の第2の基板電極との間への第2の差動コンデンサの形成と;物体に加速力を加えることによる均衡位置から基板電極の平面的な上面に平行な方向へのプルーフマスの移動と;第1の差動コンデンサ内の容量の第1の変化の測定と;第2の差動コンデンサ内の容量の第2の変化の測定と;測定された容量の変化を物体の加速度を表す電圧に変換するための回路の使用のステップを含む。 A method for measuring in-plane acceleration of an object is also disclosed. This method is: a robust attachment of the substrate to the object; fixing the proof mass in a balanced position at a predetermined distance above the substrate to form gaps of different heights between the proof mass and the substrate; Forming a first differential capacitor between the proof mass and the plurality of first substrate electrodes, the proof mass and the plurality of second substrate electrodes being alternately arranged on the substrate. Formation of a second differential capacitor between the substrate electrode and the substrate electrode; movement of the proof mass in a direction parallel to the planar upper surface of the substrate electrode from an equilibrium position by applying an acceleration force to the object; Measuring a first change in capacitance in the second differential capacitor; measuring a second change in capacitance in the second differential capacitor; and converting the measured capacitance change into a voltage representative of the acceleration of the object. Using a circuit for the purpose.
物体の面内加速度を測定する追加の方法もまた開示される。その方法は:物体への基板の堅牢な取り付け;プルーフマスが1方向のみに動くように拘束される、プルーフマスの基板の上方でのぶら下げ;基板電極の上の平面に平行な方向にプルーフマスが動くときに各基板電極の上の平面とプルーフマスとの間の領域が変化するように各電極突部が2つの基板電極の上方で心出しされた状態でプルーフマスが複数の電極突部を含む、プルーフマスと基板との間への差動コンデンサの形成と;物体に加速力を加えることによるプルーフマスの移動と;各基板電極とプルーフマスとの間の容量の変化の測定と;回路を用いた、測定された容量の変化から物体の加速度を表す電圧への変換と;各基板電極の上の平面とプルーフマスとの間の領域の変化に比例する回路からの電圧を出力する工程を含む。 Additional methods for measuring the in-plane acceleration of an object are also disclosed. The method is: a robust attachment of the substrate to the object; the proof mass is constrained to move in only one direction; the proof mass is suspended above the substrate; the proof mass in a direction parallel to the plane above the substrate electrode A plurality of electrode protrusions with each electrode protrusion centered above the two substrate electrodes so that the area between the plane above each substrate electrode and the proof mass changes as the electrode moves Forming a differential capacitor between the proof mass and the substrate, including: moving the proof mass by applying an accelerating force to the object; measuring a change in capacitance between each substrate electrode and the proof mass; Using a circuit to convert the measured change in capacitance to a voltage representing the acceleration of the object; outputting a voltage from the circuit proportional to the change in the area between the plane above each substrate electrode and the proof mass Process.
物体の面内加速度を特定するためのシステムおよび方法を如何に実施するかを当業者が容易に理解できるように、次の図を参照して同システムおよび方法の好ましい実施形態を以下に詳細に記載する。 In order that those skilled in the art will readily understand how to implement a system and method for determining the in-plane acceleration of an object, a preferred embodiment of the system and method is described in detail below with reference to the following figures: Describe.
単一チップ上の面内加速度計と面外加速度計の両方を含む超頑強、かつ、高性能の3軸の慣性計測装置の切迫した必要性がある。この目的に適した斬新な面外MEMS加速度計が2007年10月26日に出願された「均衡の取れたガス減衰付き懸架加速度計」という名称の米国特許出願番号11/978,090に記載される。本明細書に参照として組み込まれる出願は、非対称なプルーフマス付き懸架容量型加速度計を記載する。懸架感知プレートは実質的に空洞の第1の側と中空でない第2の側を含む。この出願に記載される面外加速度計は感知構造としての75μm(ミクロン)のシリコン・オン・インシュレータ(SOI)層を用いる。そうした非対称な非中空/中空のプルーフマスセンサー構造は比較的厚いプルーフマス及びプルーフマスと面外懸架加速度計の基板との間の狭い垂直隙間のために表面マイクロマシニング揺動構造より高い感度を示す。 There is an urgent need for a super robust and high performance 3-axis inertial measurement device that includes both in-plane and out-of-plane accelerometers on a single chip. A novel out-of-plane MEMS accelerometer suitable for this purpose is described in US patent application Ser. No. 11 / 978,090, filed Oct. 26, 2007, entitled “Balanced Gas Damped Suspension Accelerometer”. The The application incorporated herein by reference describes a suspended capacitive accelerometer with an asymmetric proof mass. The suspension sensing plate includes a first side that is substantially hollow and a second side that is not hollow. The out-of-plane accelerometer described in this application uses a 75 μm (micron) silicon-on-insulator (SOI) layer as the sensing structure. Such an asymmetric non-hollow / hollow proof mass sensor structure is more sensitive than a surface micromachined oscillating structure because of the relatively thick proof mass and the narrow vertical gap between the proof mass and the substrate of the out-of-plane suspended accelerometer .
この開示は、面外懸架加速度計の製造に使用される技術に似た技術を用いて製造可能な面内加速度計を記述する。この製造技術の例は、また、本明細書に参照として組み込まれる2010年6月15日に発行された「高性能MEMS加速度計のためのウエハ処理フロー」の名称の米国特許番号7,736,931に開示される。 This disclosure describes an in-plane accelerometer that can be manufactured using techniques similar to those used to manufacture out-of-plane suspended accelerometers. An example of this manufacturing technique is also described in US Pat. No. 7,736, entitled “Wafer Processing Flow for High Performance MEMS Accelerometers” issued June 15, 2010, which is incorporated herein by reference. 931.
この開示は基板の上方に配置されたプルーフマスが基板の上面に平行な方向に動くのに伴い差動容量を測定する超頑強な、面内MEMS加速度計を記載する。高性能な、超頑強、かつ、低ノイズの、面内加速度計を得るために、プルーフマスのサイズを大きくし、感知間隔を減少し、減衰を減少することが必要である。しかし、厚いプルーフマスMEMSの処理において、面外加速度計に典型的な垂直隙間を小さくするより、図7の従来の直列加速度計に示されるように、面内加速度計に典型的な側部隙間を小さくする方がはるかにより困難である。 This disclosure describes a super robust, in-plane MEMS accelerometer that measures differential capacitance as a proof mass placed above the substrate moves in a direction parallel to the top surface of the substrate. In order to obtain a high performance, super robust and low noise in-plane accelerometer, it is necessary to increase the size of the proof mass, reduce the sensing interval, and reduce the attenuation. However, in processing thick proof mass MEMS, rather than reducing the vertical gap typical for out-of-plane accelerometers, the side gap typical for in-plane accelerometers, as shown in the conventional series accelerometer of FIG. Is much more difficult to reduce.
本発明は面外加速度計の製造に使用される技術と同じ技術を用いて製造可能なオフセット櫛指、面内加速度計である。面内加速度計は厚いプルーフマス及び1.0μmもの小ささに製造可能な垂直隙間を使用してよい。容量の測定に隙間の変化の変わりに領域の変化を使用するので、本開示に記載される面内加速度計は加速度に関する線形変化を有する。これは、また開ループ加速度計の設計に適している。何よりまず、製造処理フローは同じ製造技術を使用して単一チップ上の面内加速度計及び面外加速度計の製造を可能にする、既存の面外加速度計と同じである。 The present invention is an offset comb finger and an in-plane accelerometer that can be manufactured using the same technique as that used for manufacturing an out-of-plane accelerometer. In-plane accelerometers may use thick proof masses and vertical gaps that can be made as small as 1.0 μm. The in-plane accelerometer described in this disclosure has a linear change with respect to acceleration, since the change in area is used instead of the change in gap for measuring capacitance. This is also suitable for open loop accelerometer designs. First and foremost, the manufacturing process flow is the same as existing out-of-plane accelerometers that allow the production of in-plane and out-of-plane accelerometers on a single chip using the same manufacturing techniques.
面内加速度計の本実施形態を詳細に記載し、その実施例を図面に示す。限定ではなく説明および例示の目的のために、面内、オフセット、櫛指加速度計の断面図を図1に示し、全体として参照番号100で示す。面内加速度計100はプルーフマス102、基板104及びトッピング・ウエハ106を含む。トッピング・ウエハはプルーフマス102のための衝撃保護を設け、基板104に接着されたガラスフリットでも良い。トッピング・ウエハ106を基板104に接着するのに融着又は共晶接合が用いられても良い。加速度計100は又プルーフマス102周囲のガードリング105を含んでも良い。基板104は物体に堅牢に取り付けられ、プルーフマス102と基板104との間の容量の差動変化を測定することにより、物体の加速度を特定するための加速度計100を可能にする、バネ103または他の適切な手段によって基板104の上方にプルーフマス102は懸架される。1つの実施形態において、プルーフマス102は基板104に融着されるウエハに可動可能に付けられて良い。
This embodiment of the in-plane accelerometer is described in detail and an example is shown in the drawing. For purposes of explanation and illustration, but not limitation, a cross-sectional view of an in-plane, offset, finger comb accelerometer is shown in FIG. In-
図2は、また、プルーフマス102及び基板104の詳細を示す、加速度計100の一部の詳細図である。基板104はシリコン・オン・インシュレータ(SOI)材を備えてよい。図示のように、基板104は基板104から上に延びる複数の第1の基板電極108及び、同じく基板104から上に延びる複数の第2の基板電極110を含む。第1の及び第2の基板電極108、110は基板104上の交互のパターンに配列される。換言すると、第1の基板電極108の各々に対して直接隣接する基板電極は第2の基板電極110の1つで、第2の基板電極110の各々に対して直接隣接する基板電極は第1の基板電極108の1つである。第1の及び第2の基板電極の各々は基板104の平面状の上面114から所定の距離上方に平面状の上面112を有する。第1の及び第2の基板電極108、110の平面状の上面112は基板104の平面状の上面114に平行に配置される。1つの実施形態において、基板電極108、110は約0.5μmから約4μmの範囲の高さを有する。
FIG. 2 is also a detailed view of a portion of
図2は、また、プルーフマス102から基板104の方に下に延びる複数の電極突部116を示す。プルーフマス102は一体成形の材料から形成される。実施形態の一つでは、材料はシリコンのような半導体である。プルーフマス102は一体成形の材料から形成されるので、突部116はプルーフマス102から材料を除去することで形成される。突部はプルーフマス102の一体部分で別個には成形されない。各電極突部116は下の平面状の面118を有する。図1〜図3に示される典型的な実施形態において、電極突部116は下の平面状の面118に対して54.7°の角度で各電極突部116上に側壁を作る、水酸化カリウム(KOH)エッチング処理を用いて形成される。窪み120が、例えば2つの電極突部116の間に、各電極突部116に隣接する領域に形成される。窪み120は電極突部116の下の平面状の面118に平行な平面状の窪み面122を含む。
FIG. 2 also shows a plurality of
加速度計100のプルーフマス102はプルーフマス102と基板104との間に隙間124が形成されるように基板104の所定距離上方に位置する。電極突部116が下に延び第1の及び第2の基板電極108、110が基板の頂の上に位置するので、プルーフマス102と基板104との間の隙間124の高さはプルーフマス102の長さLに沿って変化する。
The
プルーフマス102は1つ以上のバネ103によって基板104の上方に可動自在に配置される。バネの設計は高感度と低いクロストークを得るために重要である。クロストークは1つの回路から別の回路への不要な容量結合である。面内加速度計100は単一軸に沿った加速度を測定する設計なので、クロストークを除去する設計である。
The
バネの設計の主要な矛盾は感度とクロストークの調和である。バネはx方向に弾力がありz方向及びy方向に堅くあるべきである。図2に示されるように、x方向はプルーフマス102の長さに添って延び、電極突部116の下の平面状の面に平行である。y方向はx方向に垂直で、z方向は図2に示すようにページの外に真っ直ぐ延びる。y方向とz方向で剛性を達成し、x方向で柔軟性を維持するために、またクロストークを防ぐために、バネはx方向に非常に薄く、y方向とz方向に比較的厚くあるべきである。1つの典型的な実施形態において、x方向のバネの幅はプルーフマス102のx方向の幅と同じである。換言すると、バネとプルーフマスは同じ厚さを有する。
The main contradiction in spring design is the harmony of sensitivity and crosstalk. The spring should be resilient in the x direction and stiff in the z and y directions. As shown in FIG. 2, the x direction extends along the length of the
バネの設計において、バネの共振周波数の1次モードは共振周波数の2次及び3次モードに近づけないようにしなければならない。バネの設計パラメータが下の表1に示される。 In spring design, the primary mode of the resonant frequency of the spring must be kept away from the secondary and tertiary modes of the resonant frequency. The spring design parameters are shown in Table 1 below.
表から見て取れるように、容量感度は1次モードの共振周波数に左右される。1次モードの周波数が低いほど容量感度は高い。クロストークは2次モードの共振周波数に左右される。2次モードの周波数が高いほど容量感度は低い。容量感度が固定だと、バネがより薄いとより低いクロストークの達成が可能である。バネの最小幅は使用される製造処理の能力、例えば、乾式反応性イオンエッチング(DRIE)処理のアスペクト比によって、制限される。 As can be seen from the table, the capacitance sensitivity depends on the resonance frequency of the primary mode. The lower the primary mode frequency, the higher the capacitive sensitivity. Crosstalk depends on the resonance frequency of the secondary mode. The higher the secondary mode frequency, the lower the capacitive sensitivity. With fixed capacitive sensitivity, lower crosstalk can be achieved with thinner springs. The minimum width of the spring is limited by the capacity of the manufacturing process used, for example, the aspect ratio of the dry reactive ion etching (DRIE) process.
基板104が付けられる物体が静止している、または均衡位置にあるとき、すなわち物体の速度が一定(加速なし)のとき、複数の電極突部の各々が1つの第1の基板電極108の一部及び隣接する第2の基板電極110の一部に重なるようにプルーフマス102はバネ130によって基板104の上方に適所に保持される。
When the object to which the
第1の基板電極108の各々は互いに電気的に接続され、第2の基板電極の各々は同様に互いに電気的に接続される。その結果、第1のコンデンサはプルーフマス102と複数の第1の基板電極108との間に形成され、第2のコンデンサはプルーフマス102と複数の第2の基板電極110との間に形成される。1つの典型的な実施形態において、基板電極108、110は、物体の加速度がゼロに等しいとき、すなわち、プルーフマス102が均衡位置にあるとき、第1のコンデンサの容量が第2のコンデンサの容量に等しいように、対称に配列される。基板電極の両グループが固定されているので、基板104が加速されプルーフマス102が、電極突部116と共に、x方向に、すなわち、第1の及び第2の基板電極の平面状の上面112に平行に動くとき、隙間124の領域及び各コンデンサの全容量は変化する。
Each of the
図2に示すように、プルーフマス102上の電極突部116の形状及び位置のために、各第1の基板電極108は電極突部の下の平面状の面118と第1の基板電極108の平面状の上面112との間の第1の容量C1、及びプルーフマス102の窪みの平面状の面122と第1の電極108の平面状の上面112との間の第2の容量C1’を有する。同様に各第2の電極突部は電極突部の下の平面状の面118と第2の基板電極110の平面状の上面112との間の第1の容量C2、及びプルーフマス102の窪みの平面状の面122と第2の電極110の平面状の上面112との間の第2の容量C2’を有する。
As shown in FIG. 2, due to the shape and position of the
加速力aがプルーフマス102に加えられると、プルーフマス102は図2に示される均衡位置から図3に示される第2の位置に動く。プルーフマス102が均衡位置から動くにつれて、プルーフマス102と基板電極108、110との間の隙間124内の領域変化のために容量C2は増え容量C1は減る。一方、プルーフマスが均衡位置から動くにつれ容量C2’は減り容量C1’は増える。換言すると、プルーフマス102が、図示のように、x方向に動くにつれ、プルーフマス102と第1の電極基板108の平面状の上面112との間の隙間124の領域が増え、プルーフマス102と第2の電極基板110の平面状の上面との間124の隙間の領域が減る。
When the acceleration force a is applied to the
プルーフマス102の長さLに沿って隙間124の高さが変わる。例えば、図2に示すように、隙間124は電極突部116の下の平面状の面118と基板電極108、110の平面状の上面112との間に第1の高さh1、及び窪みの平面状の面122と基板電極108、110の平面状の上面112との間に第2の高さh2を有してよい。
The height of the
第2の高さh2は第1の高さh1よりはるかに大きい。例えば、h2はh1の10倍から20倍大きくてよい。容量は電極間の距離と共に減少する。h1とh2の間の高さの差の結果、容量C1はC1’よりはるかに大きく容量C2はC2’よりはるかに大きい。そのため容量の合計の差動変化はC1及びC2に影響される。 The second height h2 is much larger than the first height h1. For example, h2 may be 10 to 20 times larger than h1. The capacity decreases with the distance between the electrodes. As a result of the height difference between h1 and h2, capacitance C1 is much larger than C1 'and capacitance C2 is much larger than C2'. Therefore, the total differential change in capacitance is affected by C1 and C2.
加速度計100の前述の構造にはいくつかの利点がある。第1に、(50μmより大きい)厚いプルーフマスが用いられる場合、隙間124の小さい高さh1は先行技術の直列加速度計の側部隙間より簡単に既知の工程能力で得られる。加えて、上記のオフセット櫛指直列加速度計100内の高G負荷でのスティクション問題が無い。加速度計100は、また横櫛指構造より頑丈で、かつ、超頑強な装置での使用に適している。
The aforementioned structure of
図4は面内加速度計100によって作られた回路への等価回路を示す。図示のように、回路は2つのコンデンサを含む。容量C1の第1のコンデンサはプルーフマス102と第1の基板電極108との間に形成される。容量C2の第2のコンデンサはプルーフマス102と第2の基板電極110との間に形成される。また、第1の基板電極108の各々は互いに電気的に接続される。同様に、第2の基板電極110の各々は互いに電気的に接続される。そのため図4に示すように、第1の及び第2のコンデンサは一連の小さいコンデンサからなる。容量C1はC1 = C1.1 + C1.2 +・・・+ C1.nのように、こうした個々のより小さいコンデンサの容量の合計に等しい。ここでnは基板104上の第1の基板電極108の数を表す整数である。同様に、容量C2はC2 = C2.1 + C2.2 +・・・+ C2.nのように、プルーフマス102と第2の電極110との間に形成される個々のより小さいコンデンサの容量の合計に等しい。ここでnは基板104上の第2の基板電極110の数を表す整数である。
FIG. 4 shows an equivalent circuit to the circuit created by the in-
1つの典型的な実施形態において、C1及びC2の公称静電容量値はプルーフマス102と基板電極108、110が対称に配置されるとき、すなわち第1の基板電極108と電極突部116との間の重なりの領域を隣接する第2の基板電極110と同電極突部116との間の重なりに等しくするように、各電極突部116が第1の基板電極108と第2の基板電極110の上方に揃えられるとき、約7.5pF(ピコファラッド)で等しくなる。図2は基板電極108、110の上方に対称に配置された電極突部116付きのプルーフマス102を示す。
In one exemplary embodiment, the nominal capacitance values of C1 and C2 are the same when the
C1及びC2のための容量値の差はプルーフマス102と基板104との間の溶着のずれによって生じることがある。現在の溶着ずれの公差は5μm、つまりC1及びC2の公称静電容量は2.75から13.75pFまでの違いが生じることがある。
The difference in capacitance values for C1 and C2 may be caused by a weld misalignment between the
加速度計100の全電気容量Csumは容量C1と容量C2の合計に等しい。それゆえ、C1とC2の共通モード容量変化は、取り消されるため、差動変化のみ増幅される。これは、共通容量変化につながるz軸クロストークが最小化されることを意味する。
The total electric capacity Csum of the
図5は、プルーフマス102と基板電極108、110との間の容量の測定された差を基板104の加速度、ひいては基板が堅固に付けられた物体の加速度を表す出力電圧に変換するための、面内加速度計100と連動してよい回路の例である。図5に示すように、回路はC1とC2を釣り合わせ、バイアス・オフセットを最小化するために使用されて良い内蔵コンデンサ配列を含んでよい。C1_trimは0.2〜10 pFのトリミング範囲を提供する。コンデンサ配列は19 fF +/− 20%ステップの9ビットのプログラム可能性を含む。全差動入力感知コンデンサは次の通りである: 。C1T = C1 + C1_trim。C2T=C2 + C2_trim。
FIG. 5 illustrates the conversion of the measured difference in capacitance between the
1つの典型的な実施形態において、プルーフマスの1次固有共振周波数は1890 Hzで、x軸に沿った桁(ビーム)の最大曲がりは約2.1μmである。溶着ずれの公差が5μmなので、電極突部116と基板電極108、110との間の最小重なりは2.1μmより大きくなければならない。そのため、配置設計の重なりは7.1μmより大きくなければならない。
In one exemplary embodiment, the primary natural resonant frequency of the proof mass is 1890 Hz, and the maximum bending of the beam (beam) along the x-axis is about 2.1 μm. Since the tolerance of welding displacement is 5 μm, the minimum overlap between the
1つの典型的な実施形態において、各基板電極108、110の幅は15μmで、最高5μmのずれでも基板電極が電極突部116によって覆われることを確実にするために電極突部116の幅は20μmである。公差のずれを減らすことが可能であれば、基板電極の幅も減らすことが可能である。その場合、基板電極の数を増やすことが可能で、加速度計100の感度が増す。オーストラリアのEVグループから入手可能なEVG SmartView(登録商標)自動接着揃えシステムのような溶着揃え機械を用いて1μm未満のずれ公差の達成が可能である。
In one exemplary embodiment, the width of each
本発明による面内加速度計の代替設計が図6に示され全体で参照番号600で示される。面内加速度計600は前記面内加速度計と同様に、プルーフマス602、基板604及びトッピング・ウエハ606を含む。図示のように、プルーフマス602は基板の上方に可動自在に配置される。面内加速度計100に関して記載された電極と同様に、基板604は互いに電気的に接続される複数の第1の基板電極608及び、同じく互いに電気的に接続される複数の第2の基板電極610を含む。
An alternative design of an in-plane accelerometer according to the present invention is shown in FIG. The in-
図1に示される面内加速度計100と違って、面内加速度計600は水酸化カリウム(KOH)よりは乾式反応性イオンエッチング(DRIE)処理によって形成される複数の電極指616を有する。その結果、電極指616の側壁は54.7度の斜面であるよりは垂直である。電極指616の垂直側壁はC1及びC2の並列な浮遊容量の最小化を助ける。加えて、側突起620は高衝撃負荷中にバネが割れないようにするために加速度計600の構造に加えられても良い。
Unlike the in-
好ましい実施形態システムを参照して物体の面内加速度を特定するためのシステムおよび方法が示され説明されるが、添付の特許請求の範囲に記載される本発明およびその均等物の要旨を逸脱しない範囲でこの開示のシステムおよび方法に様々な変更を行っても良いことは当業者には容易に理解できるであろう。 A system and method for identifying in-plane acceleration of an object with reference to the preferred embodiment system is shown and described, but does not depart from the spirit of the invention and its equivalents as set forth in the appended claims Those skilled in the art will readily understand that various modifications may be made to the systems and methods of this disclosure in scope.
Claims (20)
前記基板から上に延び、前記基板から上に延びる複数の第2の基板電極と交互になる、各基板電極が平面状の上面を有し、複数の第1の基板電極が互いに電気的に接続され、前記複数の第2の基板電極が互いに電気的に接続される、前記複数の第1の基板電極と;
一体成形の材料から形成される、前記基板の所定距離上方に配置され、プルーフマスと前記基板との間に様々な高さの隙間を形成するために前記プルーフマスから下方に延びる複数の電極突部を含む、第1のコンデンサが前記プルーフマスと前記複数の第1の基板電極との間に形成され、第2のコンデンサが前記プルーフマスと前記複数の第2の基板電極との間に形成される前記プルーフマスとを備え;
前記プルーフマスは前記プルーフマスが均衡位置にあるとき、前記複数の電極突部の各々が1つの第1の基板電極の一部及び隣接する第2の基板電極の一部の上方に配置される状態で、前記物体の速度が一定のとき、均衡位置に保持される構成で;かつ、
前記プルーフマスは前記物体が加速しているときに前記複数の基板電極の各々の前記上面に平行な方向に動く構成で、各前記基板電極の前記上面と前記プルーフマスとの間の前記隙間の領域を変化させる、面内加速度計。 A substrate firmly attached to the object;
Each substrate electrode has a planar upper surface extending from the substrate and alternating with a plurality of second substrate electrodes extending upward from the substrate, and the plurality of first substrate electrodes are electrically connected to each other The plurality of first substrate electrodes, wherein the plurality of second substrate electrodes are electrically connected to each other;
A plurality of electrode protrusions formed from a monolithic material and disposed above a predetermined distance of the substrate and extending downward from the proof mass to form gaps of various heights between the proof mass and the substrate. A first capacitor is formed between the proof mass and the plurality of first substrate electrodes, and a second capacitor is formed between the proof mass and the plurality of second substrate electrodes. Said proof mass to be provided;
In the proof mass, when the proof mass is in an equilibrium position, each of the plurality of electrode protrusions is disposed above a part of one first substrate electrode and a part of an adjacent second substrate electrode. In a state where the object is held in a balanced position when the velocity of the object is constant;
The proof mass is configured to move in a direction parallel to the top surface of each of the plurality of substrate electrodes when the object is accelerating, and the gap between the top surface of each substrate electrode and the proof mass. An in-plane accelerometer that changes the area.
前記プルーフマスと前記基板との間に異なる高さの隙間を形成するための前記基板の所定距離上方の位置へのプルーフマスの固定と;
前記第1の基板電極及び第2の基板電極が前記基板上に交互に配置される、前記プルーフマスと複数の第1の基板電極との間の第1の差動コンデンサの形成及び、前記プルーフマスと複数の第2の基板電極との間の第2の差動コンデンサの形成と;
加速力を前記物体に加えることによる前記基板電極の平面状の上面に平行な方向の均衡位置からの前記プルーフマスの移動と;
前記第1の差動コンデンサ内の容量の第1の変化の測定と;
前記第2の差動コンデンサ内の容量の第2の変化の測定と;
前記測定された容量の変化を前記物体の加速度を表す電圧へ変換するための回路を使用する工程を備える物体の面内加速度の測定の方法。 Rigid attachment of the substrate to the object;
Fixing the proof mass to a position a predetermined distance above the substrate to form gaps of different heights between the proof mass and the substrate;
Forming a first differential capacitor between the proof mass and a plurality of first substrate electrodes, wherein the first substrate electrode and the second substrate electrode are alternately disposed on the substrate; Forming a second differential capacitor between the mass and a plurality of second substrate electrodes;
Movement of the proof mass from an equilibrium position in a direction parallel to the planar upper surface of the substrate electrode by applying an acceleration force to the object;
Measuring a first change in capacitance in the first differential capacitor;
Measuring a second change in capacitance in the second differential capacitor;
A method of measuring in-plane acceleration of an object comprising using a circuit for converting the measured change in capacitance into a voltage representative of the acceleration of the object.
プルーフマスが1つの方向にのみ動くように制約される、前記プルーフマスの前記基板の上方への懸架と;
前記プルーフマスが複数の電極突部を含み、各電極突部が2つの基板電極の上で心出しされ、前記プルーフマスが前記基板電極の上の平面状の面に平行な方向に動くときに各基板電極の上の平面状の面と前記プルーフマスとの間の領域が変化するような、前記プルーフマスと前記基板との間の差動コンデンサの形成と;
前記物体に加速力を加えることによる前記プルーフマスの移動と;
各基板電極と前記プルーフマスとの間の容量の変化の測定と;
前記測定された容量の変化を前記物体の加速度を表す電圧へ変換するための回路の使用と;
各基板電極の上の平面状の面と前記プルーフマスとの間の領域の前記変化に比例する、前記回路からの電圧を出力する工程を備える、物体の面内加速度を特定するための方法。 Rigid attachment of the substrate to the object;
Suspension of the proof mass above the substrate, the proof mass being constrained to move in only one direction;
When the proof mass includes a plurality of electrode protrusions, each electrode protrusion being centered on two substrate electrodes, and the proof mass moves in a direction parallel to a planar surface on the substrate electrode Forming a differential capacitor between the proof mass and the substrate such that the area between the planar surface on each substrate electrode and the proof mass changes;
Movement of the proof mass by applying acceleration force to the object;
Measuring the change in capacitance between each substrate electrode and the proof mass;
Using a circuit to convert the measured change in capacitance into a voltage representative of the acceleration of the object;
A method for determining in-plane acceleration of an object comprising outputting a voltage from the circuit that is proportional to the change in the area between a planar surface on each substrate electrode and the proof mass.
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- 2011-11-11 EP EP11250891A patent/EP2472269A3/en not_active Withdrawn
- 2011-12-14 JP JP2011272954A patent/JP2012141299A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015045597A (en) * | 2013-08-29 | 2015-03-12 | 株式会社デンソー | Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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EP2472269A3 (en) | 2012-08-15 |
US20120167685A1 (en) | 2012-07-05 |
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